基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制探討

摘? 要：在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，來(lái)自于單片機(jī)的電子脈沖信號(hào)可以控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而借助于單片機(jī)硬件電路以及軟件編程等形式，則可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)等動(dòng)作，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的有效控制?；诖耍疚姆治隽嘶趩纹瑱C(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制方法，以期為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用與控制提供相應(yīng)參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);步進(jìn)電機(jī);控制策略;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM383.6? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）07-0000-00

0 引言

步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)定位控制精準(zhǔn)，因此步進(jìn)電機(jī)在儀表控制和過(guò)程控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，且在當(dāng)今的自動(dòng)化控制、電動(dòng)閥控制、數(shù)控機(jī)床以及醫(yī)療設(shè)施等各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而在步進(jìn)電機(jī)的具體應(yīng)用過(guò)程中，單片機(jī)可以對(duì)其起到更加精準(zhǔn)的控制作用，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用效果的顯著提升。因此，在步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用與研究中，應(yīng)加大對(duì)單片機(jī)控制的研究，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的良好應(yīng)用與發(fā)展。

1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，電子脈沖信號(hào)數(shù)量及其頻率對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及停止位置起到?jīng)Q定性作用。在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果給定一個(gè)脈沖信號(hào)，其轉(zhuǎn)子便可經(jīng)過(guò)相應(yīng)角度，我們將該角度叫做步距角。就目前的步進(jìn)電機(jī)來(lái)看，步距角一般按照半步和一步進(jìn)行劃分，具體情況如表1所示。

按照以上劃分方式，每給定一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°，隨著脈沖信號(hào)書的連續(xù)給定，可控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制

2.1控制系統(tǒng)框架分析

2.1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架分析

在本次所研究的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用到的單片機(jī)為51單片機(jī)，主控制器型號(hào)為80C51，該控制器屬于一種有著高效性的微控制器，通過(guò)該控制器的應(yīng)用，可以為嵌入形式的控制系統(tǒng)提供出價(jià)格低廉、靈活度高的方案，其組成部分及其個(gè)數(shù)如表2所示。

在本次研究中，主要選擇的步進(jìn)電機(jī)是四相六線形式的步進(jìn)電機(jī)，其額定電壓是12V，這種步進(jìn)電機(jī)可以在單拍模式下工作，也可以在單雙拍混合模式下工作。但是通常情況下，在該步進(jìn)電機(jī)工作在單拍模式下時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)相角過(guò)度比較少，轉(zhuǎn)動(dòng)角度比較大，而且轉(zhuǎn)動(dòng)也并不十分連貫[1]。因此，為了保障該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的連貫性，通常會(huì)將其設(shè)計(jì)為單拍以及雙拍相互混合的工作模式。

由于80C51型號(hào)的單片機(jī)有著較小的信號(hào)輸出功率，所以不能有效滿足步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)需求。在這樣的情況下，就需要進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的添加，以此來(lái)滿足步進(jìn)電機(jī)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)需求，讓步進(jìn)電機(jī)維持在一個(gè)正常的工作狀態(tài)中。因此，在本次設(shè)計(jì)中，將ULN2003A芯片用來(lái)作為其驅(qū)動(dòng)芯片，這種芯片有著比較高的工作電壓和比較寬的溫度范圍，同時(shí)也有著非常強(qiáng)的負(fù)載能力。該芯片的每一路驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)平均為500mA，最大的輸出信號(hào)可以達(dá)到600mA[2]。同時(shí)，該芯片也可以借助于級(jí)聯(lián)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力的提升。在對(duì)按鍵進(jìn)行控制的電路中，應(yīng)用的是一種十分簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，并進(jìn)行了三個(gè)按鍵的設(shè)置，借助于鍵盤上的相關(guān)指令對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行啟停以及正反轉(zhuǎn)的控制。

2.1.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架分析

在完成了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建之后，基于單片機(jī)形式的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了初步的控制條件，接下來(lái)就是軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，借助于C語(yǔ)言或者是Keil軟件匯編語(yǔ)言等形式，可控制步進(jìn)電機(jī)的初始化、驅(qū)動(dòng)以及按鍵輸入等模塊，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)等功能。

在具體的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可借助于軟件編程形式的演示程序來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。在此過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的繞組通電順序?qū)?huì)對(duì)其轉(zhuǎn)向起到?jīng)Q定性作用。借助于軟件編程的形式，可以對(duì)單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)繞組所施加的相序脈沖電流進(jìn)行控制，以此來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的具體轉(zhuǎn)向。在具體的控制過(guò)程中，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的帶動(dòng)能力，并保障步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，在本次設(shè)計(jì)中，將驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置為四相八拍形式。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程分析

首先是單片機(jī)的初始化，在此過(guò)程中，需要對(duì)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、外圍芯片以及傳送數(shù)據(jù)的端口進(jìn)行初始化，并對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。

其次是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，保障其處在使能狀態(tài)。

再次是對(duì)鍵盤按鍵信號(hào)的讀取窗口進(jìn)行狀態(tài)檢查，具體步驟如下：

（1）若按下正轉(zhuǎn)按鈕，對(duì)定時(shí)器給定一個(gè)比初始數(shù)據(jù)大的最小值，然后進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，讓步進(jìn)電機(jī)使能，并將定時(shí)器的定時(shí)功能開啟。

（2）若按下加速按鈕，對(duì)定時(shí)器給定一個(gè)比初始數(shù)據(jù)小的最大值，并將定時(shí)器的定時(shí)功能開啟。

（3）若按下減速按鈕，對(duì)定時(shí)器給定一個(gè)比初始數(shù)據(jù)大的最小值，并將定時(shí)器的定時(shí)功能開啟。

（4）若按下停止按鈕，計(jì)數(shù)器或定時(shí)器停止工作，與步進(jìn)電機(jī)連接的端口值也不再改變，讓步進(jìn)電機(jī)使能無(wú)效。

（5）按下反轉(zhuǎn)按鈕，對(duì)定時(shí)器進(jìn)行檢查。

（6）最后，在定時(shí)器結(jié)束定時(shí)的情況下，應(yīng)該將當(dāng)前與步進(jìn)電機(jī)相互連接的端口值取反。

2.3步進(jìn)電機(jī)工作流程分析

在打開了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)電源開關(guān)之后，提示“停止”的指示燈將會(huì)亮起;在將“正轉(zhuǎn)”開關(guān)按下之后，才可以按“加速”開關(guān)，此時(shí)，提示“停止”的指示燈將會(huì)熄滅，提示“正轉(zhuǎn)”的指示燈將會(huì)亮起，然后，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)以一個(gè)比較小的速度開始運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，要想讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)一步加快，需要再次按下“加速”按鈕，再多次按動(dòng)該按鈕，步進(jìn)電機(jī)加速到一定速度之后將不再繼續(xù)加速，而是始終處在一個(gè)高度運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下運(yùn)行。此時(shí)，如果將“減速”按鈕按下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度將會(huì)降低，如果繼續(xù)按這個(gè)按鈕，步進(jìn)電機(jī)速度會(huì)持續(xù)降低，一直到不再運(yùn)轉(zhuǎn)為止。如果將“反轉(zhuǎn)”按鈕按下，提示“正轉(zhuǎn)”的指示燈將會(huì)熄滅，提示“反轉(zhuǎn)”的指示燈將會(huì)亮起。反轉(zhuǎn)的加速和減速與正轉(zhuǎn)的加速和減速工作流程一致。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在步進(jìn)電機(jī)的使用過(guò)程中，單片機(jī)可以對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)起到有效的控制作用。因此，在具體的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該按照步進(jìn)電機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行程序代碼的編寫，然后借助于相應(yīng)的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在通過(guò)芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的過(guò)程中，也需要注意到很多細(xì)節(jié)，比如反轉(zhuǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速應(yīng)該控制得相對(duì)較小一些，這樣才可以讓步進(jìn)電機(jī)得到更好的保護(hù)，以免步進(jìn)電機(jī)被破壞，同時(shí)也可以有效保障單片機(jī)信號(hào)的穩(wěn)定性，以此來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]袁煒，張寶，吳饒，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020（18）：214-216.

[2]孫巧智.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].電子世界，2020（11）：86-87.

收稿日期：2020-06-01

作者簡(jiǎn)介：陳永飛（1984—），男，浙江東陽(yáng)人，本科，工程師、高級(jí)技師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)計(jì)、微特電機(jī)制造。

Discussion on Step Motor Control Based on Single Chip

CHEN Yongfei

（Zhejiang Lianyi Motor Co.， Ltd.， Dongyang? Zhejiang? 322100）

Abstract： During the operation of the stepper motor， the electronic pulse signal from the single-chip microcomputer can control its rotation angle， and with the help of the single-chip hardware circuit and software programming form， the stepper motor can be started， stopped， and forward and reverse Action to achieve effective control of the stepper motor. Based on this， this article analyzes the stepper motor control based on the single-chip microcomputer to provide a reference for the application and control of the stepper motor.

Keywords： single chip microcomputer; stepper motor; control strategy; control system